(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211376421.5 (22)申请日 2022.11.04 (71)申请人 合肥工业大 学 地址 230009 安徽省合肥市包河区屯溪路 193号 (72)发明人 狄冲　鲍晓华　刘佶炜　李仕豪　 (74)专利代理 机构 安徽省合肥新 安专利代理有 限责任公司 34101 专利代理师 何梅生 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 17/18(2006.01) (54)发明名称 一种电压源驱动 的永磁同步电机电磁场有 限元快速仿真计算方法 (57)摘要 本发明公开了一种电压源驱动的永磁同步 电机电磁场有限元快速仿真计算方法， 构建磁矢 位和电流密度初始化为0的电压源驱动永磁同步 电机电磁场时步有限元仿真模型； 针对有限元模 型仿真计算暂态过程中定子磁链信号偏离理想 磁链信号的现象， 对驱动电路中理想电压源电压 信号进行电压补偿， 实现了对仿真过程中电磁暂 态的抑制， 并有效缩短了仿真时长； 本发明在保 证电压源驱动的永磁同步电机电磁场有 限元计 算精度的基础上， 能够有效缩短仿真时长、 节约 计算机资源和降低开发 成本。 权利要求书2页 说明书7页 附图3页 CN 115544848 A 2022.12.30 CN 115544848 A 1.一种电压源驱动的永磁同步电机电磁场有限元快速仿真计算方法， 其特征在于， 包 括如下步骤： (1)建立电压源驱动的永磁同步电机电磁场时步有限元仿真模型， 并将磁矢位和电流 密度初始 化设为0， 其中时步有限元计算中时间方向上采用向后欧拉法， 计算过程中实时输 出随时间t变化的有限元仿真定子磁链信号为 ψs， est(t)， 驱动电路中理想电压源电压信号us (t)随时间t变化的表达式为： 式中： 为电压幅值； 为初相角； f为频率； (2)将步骤(1)中的理想电压源电压信号us(t)进行积分， 得到理想定子磁链信号ψs(t) 随时间t变化的表达式为： (3)由于步骤(1)中磁矢位和电流密度初始化设为0， 因此步骤(2)中的理想定子磁链信 号 ψs(t)不存在直流分量即常数项， 理想定子磁链信号 ψs(t)随时间t变 化的表达式进一步简 化为： (4)根据步骤(3)中理想定子磁链信号 ψs(t)和步骤(1)中有限元仿真模型所能计算获取 的有限元仿真定子磁链信号 ψs， est(t)， 计算出有限元仿真误差引起的定子磁链误差信号Δ ψs(t)随时间t变化的表达式为： Δ ψs(t)＝ ψs(t)‑ψs， est(t)； (5)对步骤(4)中的有限元仿真误差引起的定子磁链误差信号进行微分， 得到有限元仿 真误差引起的定 子电压误差信号Δus， FEM(t)随时间t变化的表达式为： Δus， FEM(t)＝2 π ft ·Δ ψs(t)； (6)由于步骤(1)中时步有限元计算中时间方向上采用向后欧拉法， 因此步骤(4)中的 有限元仿真定子磁链信号 ψs， est(t)存在一个仿真步长Δt的滞后， 该信号滞后所引起的误差 称为步长引起的定 子磁链误差信号Δ ψs， step(t)表示为： Δ ψs， step(t)＝ ψs， est(t)‑ψs， est(t‑1)； (7)步骤(6)中， 步长引起的定子磁链误差信号Δ ψs， step(t)还能由t时刻和t ‑1时刻理想 定子磁链信号相减所 得， 表示为： (8)对步骤(7)中的步长引起的定子磁链误差信号Δ ψs， step(t)进行微分， 得到步长引起 的定子电压误差信号Δus， step(t)随时间t变化的表达式为： Δus， step(t)＝2 π ft ·Δ ψs， step(t)； (9)根据步骤(5)中的有限元仿真误差引起的定子电压误差信号Δus， FEM(t)和步骤(8)权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115544848 A 2中的步长引起的定子电压误差信号Δus， step(t)， 对步骤(1)中的驱动电路中理想电压源电 压信号us(t)进行补偿， 得到总的电压源信号us， tot(t)表达式为： us， tot(t)＝us(t)+Δus， FEM(t‑Δt)+Δus， step(t)； (10)对步骤(9)中进行电压补偿后的电压源驱动的永磁同步电机电磁场有限元模型进 行求解， 待有限元模型达 到稳定状态后获取电机主 要电磁性能。 2.依据权利要求1所述一种电压源驱动的永磁同步电机电磁场有限元快速仿真计算方 法， 其特征在于： 所步骤(1)中， 时步有限元模型采用瞬态场求 解器进行求 解。 3.依据权利要求1所述一种电压源驱动的永磁同步电机电磁场有限元快速仿真计算方 法， 其特征在于： 所述步骤(1)中， 初相角 为电压空间向量和永磁 同步电机d轴之间的夹 角， 其大小可根据具体负载 大小选取。 4.依据权利要求1所述一种电压源驱动的永磁同步电机电磁场有限元快速仿真计算方 法， 其特征在于： 所述步骤(1)中， 有限元计算过程中实时输出随时间t变化的有限元仿 真定 子磁链信号为ψs， est(t)， 其计算表达式为 式中： Ns 为每相串联匝数； Is(t)为定子相电流； Az(t)为磁矢位轴向分量； Jz(t)为电流密度轴向分 量； V为定 子绕组所在的体域。 5.依据权利要求1所述一种电压源驱动的永磁同步电机电磁场有限元快速仿真计算方 法， 其特征在于： 所述步骤(6)中， 仿真步长Δt取值范 围为仿真电周期T＝1/ f的1/200至1/ 40。 6.依据权利要求1所述一种电压源驱动的永磁同步电机电磁场有限元快速仿真计算方 法， 其特征在于： 所述步骤(10)中， 进行电压补偿后的电压源驱动的永磁同步电机有限元模 型求解至稳态 时长取值范围为2至4个仿真电周期T； 稳态定义为有限元仿真计算的电机平 均电磁转矩、 电流和磁链波形在前后任意两个相邻电周期内最大误差保持在 ±2％以内。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115544848 A 3